DE202009005251U1

DE202009005251U1 - Abgasreinigungsanlage

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Publication number: DE202009005251U1
Application number: DE202009005251U
Authority: DE
Original assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: HJS Emission Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2019-09-09

Abstract

Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, etwa einen Dieselmotor (1, 1.1), umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang (7, 7.1) eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat (11, 12) sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (7, 7.1) in einem Abschnitt über einen Hauptstromstrang (8, 8.1) und einem als Bypassleitung (9, 9.1) dienenden Nebenstromstrang verfügt, welche Bypassleitung (9, 9.1) ausgangsseitig an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes mündet, in dem die thermische Energie benötigt wird, und in welche Bypassleitung (9, 9.1) ein Heizaggregat (14, 14.1) zum Erwärmen des durch die Bypassleitung (9, 9.1) strömenden Abgases eingeschaltet ist und dass die Abgasreinigungsanlage (6, 6.1) eine Einrichtung (18, 18.1) zum Steuern des die Bypassleitung (9, 9.1) durchströmenden Abgasvolumenstromes aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, etwa einen Dieselmotor, umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses.
Dieselbrennkraftmaschinen sind zum Reduzieren von schädlichen Emissionen mit Abgasreinigungsanlagen ausgerüstet. Das von einer solchen Dieselbrennkraftmaschine ausgestoßene Abgas wird zu diesem Zweck durch eine solche Abgasreinigungsanlage geleitet. Die Abgasreinigungsanlage umfasst einen Abgasstrang, in dem ein oder mehrere Abgasreinigungsaggregate eingeschaltet sind. Zum Entfernen von im Abgas mitgeführtem Ruß kann in den Abgasstrang ein Partikelfilter eingeschaltet sein. Auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters akkumuliert der im Abgas mitgeführte Ruß. Damit im Zuge der sukzessiven Rußakkumulation der Abgasgegendruck nicht zu weit ansteigt oder der Filter verstopft, wird bei ausreichender Rußbeladung des Filters eine Rußoxidation (Rußabbrand) herbeigeführt. Nach Abschluss einer solchen Rußoxidation ist der Partikelfilter regeneriert. Zurück bleibt ein nicht verbrennbarer Ascherest. Damit eine Rußoxidation stattfindet, muss der Ruß eine gewisse Temperatur aufweisen. Da je nach Betrieb der Dieselbrennkraftmaschine die notwendige Temperatur zum Auslösen eines Rußabbrandes nicht immer erreicht wird, ist es mitunter erforderlich, zum Auslösen eines Regenerationsprozesses thermische Energie anderweitig zuzuführen. Dies erfolgt entweder durch Erwärmen des Filterkörpers oder seiner anströmseitigen Oberfläche mit Hilfe von elektrischen Heizelementen oder durch Erwärmen des dem Filter anströmenden Abgases durch Einsatz von Brennern und/oder Oxidationskatalysatoren, die zum Erhöhen der Abgastemperatur mit Kraftstoff beaufschlagt werden.
Ist eine Entstickung des Abgases gewünscht, werden in den Abgasstrang SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction) eingeschaltet. Für einen SCR-Prozess wird ein Reduktionsmittel benötigt. Als Reduktionsmittel wird Ammoniak eingesetzt. Dieses wird typischerweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung dem SCR-Katalysator vorgeschaltet in den Abgasstrang eingedüst. Dabei ist Sorge dafür zu tragen, dass die dem Abgasstrom beigemengte Harnstofflösung vor Erreichen des SCR-Katalysators zum Freigeben des darin enthaltenen Ammoniak thermolytisch aufgespalten worden ist. Eine thermolytische Aufspaltung der zugeführten Harnstofflösung erfolgt in der Temperatur des Abgasstromes, so dass lediglich eine ausreichende Strömungsstrecke zwischen dem Ort der Harnstoffeindüsung und dem SCR-Katalysator vorhanden sein muss. Zur Harnstoffaufbereitung innerhalb des Abgasstromes werden Mischrohre eingesetzt, in denen zum Unterstützen eines Zerstäubungsvorganges der Harnstofflösung Umgebungsluft zugeführt wird. Zur weiteren Unterstützung der Harnstoffaufbereitung innerhalb des Abgasstromes kann dieses erwärmt zugeführt werden. Hierzu sind jedoch zusätzliche Wärmequellen notwendig.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Zuführung von thermischer Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses vorzuschlagen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Abgasreinigungsanlage, bei der der Abgasstrang in einem Abschnitt über einen Hauptstromstrang und einem als Bypassleitung dienenden Nebenstromstrang verfügt, welche Bypassleitung ausgangsseitig an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes mündet, in dem die thermische Energie benötigt wird, und in welche Bypassleitung ein Heizaggregat zum Erwärmen des durch die Bypassleitung strömenden Abgases eingeschaltet ist und dass die Abgasreinigungsanlage eine Einrichtung zum Steuern des die Bypassleitung durchströmenden Abgasvolumenstromes aufweist.
Bei dieser Abgasreinigungsanlage wird das Konzept verfolgt, in einem Abschnitt den Abgasstrang in einen Hauptstromstrang und einen als Bypassleitung dienenden Nebenstromstrang aufzuteilen, wobei die Bypassleitung nur bei Bedarf abgasdurchströmt ist. In die Bypassleitung – dem Nebenstromstrang – ist ein Heizaggregat zum Erwärmen des durch die Bypassleitung strömenden Abgases eingeschaltet. Die Bypassleitung mündet in den Abgasstrang bzw. wird mit dem Hauptstromstrang an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes zusammengeführt, in dem die thermische Energie für die Auslösung und/oder die Unterstützung eines Abgasreinigungsprozesses benötigt wird. Handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um einen größeren Motor, der einen entsprechend großen Abgasmassenstrom generiert, kann es sich anbieten, den Nebenstromstrang gegenüber dem Hauptstromstrang mit einer geringeren durchströmbaren Querschnittsfläche auszustatten. Dann strömt in den Nebenstromstrang automatisch ein geringerer Massenstrom ein. Das durch das Heizaggregat zu erwärmende Abgasvolumen ist dann, verglichen mit dem durch den Hauptstromstrang strömenden Abgasstrom, geringer mit der Folge, dass die apparativen Maßnahmen zum Bewirken eines Temperaturhubes des die Bypassleitung durchströmenden Abgases vergleichsweise gering gehalten werden können. Gleiches gilt, wenn durch Drosseln, Ventile oder andere Stellelemente der durch die Bypassleitung strömende Abgasmassenstrom gering gehalten wird oder der Abgasmassenstrom nur bei geringer Last oder im Leerlauf insgesamt durch diesen geleitet wird.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der als Heizaggregat in der Bypassleitung ein Oxidationskatalysator mit einem diesem in Strömungsrichtung des die Bypassleitung durchströmenden Abgases vorgeschalteten Kraftstoffport vorgesehen sind. Zum Erhöhen der Abgastemperatur wird bei dieser Ausgestaltung die an dem Oxidationskatalysator stattfindende exotherme Reaktion genutzt, wenn auf der Oberfläche des Oxidationskatalysators Kohlenwasserstoffe – Kraftstoff – auftritt. Zu diesem Zweck dient die dem Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung vorgeschaltete Kraftstoffzufuhr, die über eine geeignete Dosiereinrichtung verfügt. Durch eine solche Maßnahme kann das durch die Bypassleitung strömende Abgas auf Temperaturen in Abhängigkeit von dem eingesetzten Oxidationskatalysator und der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge von über 750°C gebracht werden. Der Temperaturhub durch den in die Bypassleitung integrierten Oxidationskatalysator erfolgt typischerweise auf eine Temperatur, die oberhalb derjenigen Temperatur liegt, die dem Abgasreinigungsaggregat zugeführt werden soll. Berücksichtigt wird bei einer solchen Ausgestaltung, dass der durch die Bypassleitung strömende Massenstrom kleiner ist als der durch den Hauptstromstrang strömende Massenstrom, was beim Zusammentreffen der beiden Abgasströme zu einer Vermischung und somit zu einer Effektivtemperatur des das Abgasreinigungsaggregat anströmenden Abgases führt, die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, auf die der die Bypassleitung durchströmende Abgasteilstrom erwärmt worden ist. Dieses sodann erwärmte Abgas strömt das Abgasreinigungsaggregat an, dem thermische Energie zuzuführen ist, wodurch dieses erwärmt wird. Handelt es sich bei dem Abgasreinigungsaggregat beispielsweise um einen Partikelfilter, kann durch diese Maßnahme das den Partikelfilter anströmende Abgas auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine Rußoxidation stattfindet und somit eine Filterregeneration ausgelöst wird. In vielen Fällen ist dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung vorgeschaltet. Bei einer solchen Ausgestaltung regeneriert der Partikelfilter kontinuierlich, vorausgesetzt am Oxidationskatalysator wird NO₂ generiert, und zwar aus dem im Abgas mitgeführten NO und dem gleichfalls mitgeführten Sauerstoff, und das den Partikelfilter anströmende Abgas weist eine ausreichend hohe Temperatur für die Rußoxidation auf. Sollte, beispielsweise im Leerlauf oder kurz nach einem Betriebsstart eine Filterregeneration durchgeführt werden und kann bei einer solchen Ausgestaltung des Abgasreinigungsaggregates durch Betrieb des vorbeschriebenen, in die Bypassleitung eingeschalteten katalytischen Brenners die den Partikelfilter anströmende Abgastemperatur nicht auf das benötigte Temperaturniveau erwärmt werden können, besteht die Möglichkeit, durch sogenanntes Überspritzen des in die Bypassleitung integrierten Oxidationskatalysators über den in der Bypassleitung befindlichen Kraftstoffport Kohlenwasserstoffe ebenfalls dem den Partikelfilter unmittelbar vorgeschalteten Oxidationskatalysator zuzuführen, um an diesem dieselbe exotherme Reaktion, wie an dem Oxidationskatalysator in der Bypassleitung auszulösen. Auf diese Weise können mit einem einzigen Kraftstoffport, angeordnet in der Bypassleitung beide Oxidationskatalysatoren mit dem zum Herbeiführen der gewünschten exothermen Reaktion benötigten Kraftstoff beaufschlagt werden. ”Überspritzen” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass durch den Kraftstoffport mehr Kraftstoff in das die Bypassleitung durchströmende Abgas eingegeben wird als an der Oberfläche des in die Bypassleitung integrierten Oxidationskatalysators reagieren kann. Das den Oxidationskatalysator anströmende Abgas ist somit überfettet. Der an der Oberfläche dieses Oxidationskatalysators nicht reagierende Kraftstoff wird mit dem Abgasstrom dem in dem Abgasstrang dem Partikelfilter unmittelbar vorgeschalteten Oxidationskatalysator zugeführt. Über eine geeignete Überwachung wird sichergestellt, dass beim Überspritzen der in die Bypassleitung integrierte Oxidationskatalysator nicht übermäßig erwärmt wird, was zu Beschädigungen desselben führen könnte. Dieses kann beispielsweise durch Drosseln des diesem Oxidationskatalysator zugeführten Abgasstromes und damit durch Drosseln der Sauerstoffzufuhr erfolgen. Somit kann durch die Kraftstoffzufuhr und/oder eine Massenstromregelung die Katalysatortemperatur und damit der Temperaturhub des durch den Oxidationskatalysator strömenden Abgases geregelt werden.
Besonders problematisch ist ein Betrieb von Abgasreinigungsanlagen und damit auch des bzw. der Oxidationskatalysatoren, wenn diese noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Dies ist beispielsweise im Leerlauf oder kurz nach dem Start der Dieselbrennkraftmaschine der Fall. Um auch bei derartigen Betriebszuständen einer Dieselbrennkraftmaschine thermische Energie einem Abgasreinigungsaggregat zuführen zu können, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, einem in die Bypassleitung integrierten Oxidationskatalysator als Teil eines katalytischen Brenners – wie vorbeschrieben – ein elektrisches Heizelement in Strömungsrichtung des Abgases vorzuschalten. Dieses dient dem Zweck, den in die Bypassleitung integrierten Oxidationskatalysator auf seine Betriebstemperatur zu bringen und eine Kraftstoffverdampfung zu unterstützen. Die Abgasreinigungsanlage umfasst einen Temperatursensor, mit dem die Temperatur dieses Oxidationskatalysators erfasst werden kann. Befindet sich der Oxidationskatalysator des katalytischen Brenners nicht auf seiner Betriebstemperatur, wird, wenn dem Abgasreinigungsaggregat thermische Energie zugeführt werden soll, diese elektrische Heizeinrichtung betrieben. Die elektrische Heizeinrichtung ist typischerweise in nur kurzem Abstand zu dem Oxidationskatalysator angeordnet, und zwar mit dem Zweck, dass der Oxidationskatalysator auch durch von der elektrischen Heizeinrichtung abgegebene Strahlungswärme erwärmt werden kann. Primär wird der Oxidationskatalysator jedoch durch das durch die elektrische Heizeinrichtung erwärmte Abgas erwärmt. Die elektrische Heizeinrichtung ist dementsprechend konzipiert. Bei einer solchen Konzeption wirkt sich günstig aus, dass die elektrische Heizeinrichtung Turbulenzen und Wirbel in dem Abgasstrom erzeugt. Durch diese Maßnahme wird eine Vermischung des zugegebenen Kraftstoffes im Abgasstrom der Bypassleitung begünstigt. Dieses gilt insbesondere bei einem Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung, da sodann der zugegebene Kraftstoff im Abgasstrom verdampft und damit seine Oberfläche vergrößert. Dieses ausnutzend, braucht ein Zudüsen des Kraftstoffes in die Bypassleitung nicht notwendigerweise bereits am Ausgang des Kraftstoffportes mit einer Zerstäubung verbunden sein, was wiederum die Auslegung des Kraftstoffports vereinfacht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer solchen elektrischen Heizeinrichtung ist diese quer zur Strömungsrichtung des Abgases in die Bypassleitung integriert und weist beispielsweise die Form einer Spirale mit sich nicht berührenden Windungen auf. Der Raum zwischen den Windungen der Spirale dient zum Durchlassen des die Bypassleitung durchströmenden Abgases.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, den Kraftstoff in die Bypassleitung in verdampfter Form einzubringen. Zu diesem Zweck ist dem Kraftstoffport ein Verdampfer zugeordnet bzw. dessen Ausgang bildet den Kraftstoffport. Bei einer solchen Ausgestaltung unterstützt die dem Kraftstoffport in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschaltete Heizeinrichtung eine Verwirbelung und Vermischung der zugeführten Kohlenwasserstoffe, bevor diese den Oxidationskatalysator anströmen.
Als Einrichtung zum Steuern des die Bypassleitung durchströmenden Abgasvolumenstromes wird man bei einer Abgasreinigungsanlage, die an einen Saugmotor angeschlossen ist, in den Hauptstromstrang eine hinsichtlich ihrer durchströmbaren Querschnittsfläche einstellbare Drossel oder ein entsprechendes Ventil einschalten. Als Drossel kann eine einstellbare Klappe vorgesehen sein, die zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung einstellbar ist. Bei einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer in den Abgasstrang eingeschalteten Abgasturbine zum Antreiben eines Ladeluftverdichters befindet sich die Abgasturbine im Hauptstromstrang. Wenn gewünscht, kann auch bei einer solchen Ausgestaltung im Hauptstromstrang eine Drossel der vorbeschriebenen Art eingeschaltet sein. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, in die Bypassleitung, dem Heizaggregat in Strömungsrichtung vorgeschaltet, eine Drossel oder ein Ventil anzuordnen.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Abgasreinigungsanlage der eingangs genannten Art gelöst, bei der in zumindest eine einen Brennraum der Brennkraftmaschine mit einer Abgassammelleitung verbindende Leitung ein Oxidationskatalysator eingeschaltet ist.
Prinzipiell arbeitet diese Abgasreinigungsanlage, wie die Vorbeschriebene. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt im Unterschied zu den vorbeschriebenen Abgasreinigungsanlagen eine Zufuhr von Kraftstoff an den Oxidationskatalysator im Wege einer Kraftstoffzufuhr an denjenigen Zylinder, in dessen Abgasausgangsleitung der Oxidationskatalysator eingeschaltet ist. Eine individuelle Beaufschlagung einzelner Zylinder eines Dieselmotors mit Kraftstoff zum Überfetten des ausgestoßenen Abgases ist hinlänglich bekannt. Die Anordnung eines Oxidationskatalysators unmittelbar am Ausgang eines oder auch mehrerer Zylinder hat zum einen zum Vorteil, dass dieser bereits in kurzer Zeit nach einem Motorstart auf ihre Betriebstemperatur gebracht sind. Zum anderen ist ein zusätzlicher Kraftstoffport nicht notwendig, da diese Funktion über den Motor und das Motormanagement erfolgt. Vorgesehen sein kann, einen solchen Oxidationskatalysator in mehrere, auch in alle zylinderseitigen Abgasausgangsleitungen einzubauen.
Auch bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, dem Oxidationskatalysator eine elektrische Heizeinrichtung in Strömungsrichtung des Abgases vorzuschalten, um diesen noch rascher auf Temperatur zu bringen und/oder diesen bereits vor einem Motorstart auf Betriebstemperatur zu bringen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1: eine schematisierte Darstellung nach Art eines Blockschaltbildes eines Dieselmotors als Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß einer ersten Ausgestaltung,
2: eine schematisierte Darstellung nach Art eines Blockschaltbil des eines Dieselmotors als Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung und
3: eine schematisierte Darstellung nach Art eines Blockschaltbildes eines Dieselmotors als Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung.
Ein Dieselmotor 1 als Dieselbrennkraftmaschine verfügt über einen durch eine Abgasturbine 2 angetriebenen Ladeluftverdichter 3. Der Ladeluftverdichter 3 ist eingeschaltet in eine Luftzuführleitung 4, über die die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft dem Dieselmotor 1 zur Verfügung gestellt wird. An den Krümmer 5 des Dieselmotors 1 ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 in 1 gekennzeichnete Abgasreinigungsanlage angeschlossen. Die Abgasreinigungsanlage 6 verfügt über einen Abgasstrang 7. Der Abgasstrang 7 ist im Bereich eines Abschnittes in einen Hauptstromstrang 8 und einen Nebenstromstrang – eine Bypassleitung 9 – geteilt. Die Abgasturbine 2 ist innerhalb des Hauptstromstranges 8 des Abgasstranges 7 angeordnet. Durch die Bypassleitung 9 ist somit ein die Abgasturbine 2 umgehender Bypass gebildet. Die Bypassleitung 9 mündet eingangsseitig krümmernah in den Abgasstrang 7. Der Hauptstromstrang 8 und die Bypassleitung 9 sind in dem Gehäuse 10 einer bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Partikelfiltereinheit ausgebildeten Abgasreinigungsaggregat wieder zusammengeführt. Bei der Partikelfiltereinheit handelt es sich um einen Partikelfilter 11 und um einen diesem in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschalteten Oxidationskatalysator 12. Beide Abgasteilleitungen 8, 9 münden in dem Eingangskonus 13 des den Partikelfilter 11 und den Oxidationskatalysator 12 aufnehmenden Gehäuses 10. Sollte es gewünscht sein, können in dem Eingangskonus 13 Einbauten zum Vermischen der beiden Abgasströme angeordnet sein. Gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung mündet die Bypassleitung bereits vor dem Abgasreinigungsaggregat in den Hauptstromstrang.
In die Bypassleitung 9 ist ein katalytischer Brenner 14 als Heizaggregat zum Erwärmen des die Bypassleitung 9 durchströmenden Abgases eingeschaltet. Der katalytische Brenner 14 umfasst einen Oxidationskatalysator 15 und eine diesem in Strömungsrichtung vorgeschaltete elektrische Heizeinrichtung 16 sowie einen Kraftstoffport 17 zum Zuführen von Dieselkraftstoff in die Bypassleitung 9. Der Kraftstoffport 17 ist in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Dieser ist an eine in den Figuren nicht näher dargestellte Kraftstoffzuführung angeschlossen. Diese umfasst eine Kraftstoffdosiereinheit, mit der die jeweils benötigte Kraftstoffmenge in die Bypassleitung 9 eingebracht wird. Ferner umfasst der Kraftstoffport 17 einen nicht näher dargestellten Verdampfer, so dass durch den Kraftstoffport 17 verdampfter Kraftstoff dem die Bypassleitung 9 durchströmenden Abgas beigemengt wird. Angesteuert ist eine solche Dosiereinrichtung von einer Steuereinrichtung, die ihrerseits zur Auswertung Betriebsdaten des Dieselmotors 1 und/oder der Abgasreinigungsanlage 6 erhält. Der Heizeinrichtung 16 wiederum vorgeschaltet ist eine durch einen Aktor betätigbare und damit einstellbare Drossel 18. Die Drossel 18 kann zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung mittels des Aktors eingestellt werden, um das die Bypassleitung 9 durchströmende Abgasvolumen einstellen zu können. Der Aktor der Drossel 18 ist in nicht näher dargestellten Art und Weise an ein Steuergerät angeschlossen, durch das der Aktor angesteuert wird. Angesteuert wird der Aktor durch das Steuergerät in Abhängigkeit von Betriebsdaten des Dieselmotors 1 und/oder der Abgasreinigungsanlage 6. Anstelle einer Drossel kann auch ein Taktventil für dieselben Zwecke eingesetzt werden oder auch jedes andere, diese Zwecke erfüllende Stellelement. Typischerweise wird durch die Abgasturbine 2 ein hinreichender Abgasgegendruck erzeugt, damit bei Bedarf Abgas durch die Bypassleitung strömen kann.
Wenn der bei diesem Ausführungsbeispiel als Abgasreinigungsaggregat dargestellten Partikelfiltereinheit 11, 12 thermische Energie zugeführt werden soll, um entweder den Oxidationskatalysator 12 auf Betriebstemperatur zu bringen und/oder eine Oxidation des auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters 11 akkumulierten Rußes herbeizuführen, wird durch die Bypassleitung 9 Abgas geleitet. Dementsprechend wird in diesem Fall die Drossel 18 geöffnet. Dieses die Bypassleitung 9 durchströmende Abgas wird durch den katalytischen Brenner 14 erwärmt, und zwar auf eine Temperatur, die hoch genug ist, um eine Regeneration des auf dem Partikelfilter 11 akkumulierten Rußes herbeizuführen. Unter Berücksichtigung des durch den Hauptstromstrang strömenden Abgasmassen teilstroms und dem Abgasmassenteilstrom, der durch die Bypassleitung 9 geleitet ist, wird der durch die Bypassleitung 9 strömende Abgasteilstrom auf eine entsprechend höhere Temperatur gebracht, damit nach Zusammenführen der beiden Abgasteilströme vor dem dem Partikelfilter 11 vorgeschalteten Oxidationskatalysator 12 der dann gebildete Abgasmischstrom die zum Auslösen einer Regeneration notwendiger Temperatur aufweist. Gesteuert wird der Temperaturhub durch die über den Kraftstoffport 17 zugegebene Kraftstoffmenge und/oder den über die Bypassleitung geführten Abgasmassenstrom. Je nach Betriebssituation des Dieselmotors 1, kann, wie etwa im Leerlauf, auch der gesamte Abgasmassenstrom durch die Bypassleitung geführt werden. Der in die Bypassleitung 9 über den Kraftstoffport 17 eingegebene Kraftstoff wird durch die quer zur Strömungsrichtung in der Bypassleitung 9 angeordnete Heizeinrichtung 16, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Widerstandsheizelement in Form einer Spirale ausgeführt ist, deren Windungen mit Abstand zueinander angeordnet sind, erwärmt. Die in dem Kraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe reagieren an der Oberfläche des Oxidationskatalysators 15 exotherm.
Befindet sich der Oxidationskatalysator 15 noch nicht auf seiner Betriebstemperatur zum Auslösen der vorgenannten exothermen Reaktion, wird zunächst die elektrische Heizeinrichtung 16 bestromt, um den Oxidationskatalysator 15 auf Betriebstemperatur zu bringen. Die elektrische Heizeinrichtung 16 kann für die gesamte Betriebsdauer des katalytischen Brenners 14 bestromt sein, da durch die bereitgestellte Wärme eine Zerstäubung des zugeführten Kraftstoffes durch Verdampfen und damit durch eine Verkleinerung der über den Kraftstoffport zugegebenen Tröpfchengröße unterstützt wird.
Das erwärmte Abgas tritt aus der Bypassleitung 9 in den Eingangskonus 13 des Gehäuses 10 des Abgasreinigungsaggregates ein, vermischt sich ggf. mit aus dem Hauptstromstrang strömenden Abgas und wird sodann der Partikelfiltereinheit zugeführt. Somit ist es möglich, durch Erwärmen des die Bypassleitung 9 durchströmenden Abgases thermische Energie dem Oxidationskatalysator 12 des Abgasreinigungsaggregates zuzuführen, um diesen auf seine Betriebstemperatur zu bringen, sollte dieser seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben. Die Betriebstemperatur der beiden Oxidationskatalysatoren 12, 15 liegt bei mindestens etwa 200–220°C und ist abhängig von der jeweils verwendeten katalytischen Beladung. Befindet sich neben dem Oxidationskatalysator 15 auch der Oxidationskatalysator 12 auf Betriebstemperatur, kann durch den Kraftstoffport 17 soviel Kraftstoff in den die Bypassleitung 9 durchströmenden Abgasstrom eingedüst werden, damit diese Menge die an dem Oxidationskatalysator 15 reagierende Kraftstoffmenge überschreitet und somit auf diese Weise Kohlenwasserstoffe (Kraftstoff) auch dem Oxidationskatalysator 12 zugeführt werden. Diese Kohlenwasserstoffe reagieren exotherm an dem Oxidationskatalysator 12 und vermögen bei entsprechender Überspritzung die Abgastemperatur des Gesamtabgasstromes wiederum auf ein Niveau von etwa 600°C anzuheben. Hierbei versteht es sich, dass der Oxidationskatalysator 12 eine hinreichende Größe aufweisen muss. Das auf dieser Temperatur befindliche Abgas strömt sodann den Partikelfilter 11 und vor allem den anströmseitig darauf akkumulierten Ruß an, wodurch ein Regenerationsprozess ausgelöst wird. Die vorbeschriebene Möglichkeit, die Temperatur des Abgasstromes unter Einsatz einfacher Mittel und der vorbeschriebenen Hintereinanderschaltung von zwei Oxidationskatalysatoren auf das vorgenannte Temperaturniveau anzuheben, gestattet die Herbeiführung eines Rußoxidationsprozesses ohne Verwendung von Additiven, die ansonsten zur Absenkung der Rußoxidationstemperatur vielfach eingesetzt werden. Die Beschreibung dieses ersten Ausführungsbeispiels macht deutlich, dass durch das Zuführen von thermischer Energie Abgasreinigungsprozesse ausgelöst bzw. unterstützt werden können. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt dieses durch Auslösen einer Partikelfilterregeneration sowie durch auf Betriebstemperaturbringen des dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysators. Letzter dient auch unabhängig von seiner Funktion, NO₂ für eine Partikelfilterregeneration bei einer niedrigen Rußoxidationstemperatur bereit zu stellen, einer Reduzierung unerwünschter Emissionen (u. a. CO).
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Abgasreinigungsanlage 6.1, die prinzipiell konzipiert ist wie die Abgasreinigungsanlage 6. Der Dieselmotor 1.1 verfügt im Unterschied zu demjenigen, an den die Abgasreinigungsanlage 6 angeschlossen ist, nicht über eine in den Abgasstrang eingeschaltete Abgasturbine. Mithin handelt es sich bei dem Dieselmotor 1.1 des dargestellten Ausführungsbeispieles um einen Saugmotor. Die nach stehenden Ausführungen zu diesem Ausführungsbeispiel gelten gleichermaßen für einen Dieselmotor mit einer in den Abgasstrang eingeschalteten Abgasturbine, wenn die eingangsseitige Mündung der Bypassleitung in Strömungsrichtung hinter der Abgasturbine angeordnet ist. Bei der Abgasreinigungsanlage 6.1 sind gleiche Elemente, wie diese auch bei der Abgasreinigungsanlage 1 der 1 bezeichnet sind, mit gleichen Bezugszeichen, ergänzt um ein ”.1” gekennzeichnet. Die Abgasreinigungsanlage 6.1 unterscheidet sich von der Abgasreinigungsanlage 6 letztendlich nur dadurch, dass die Drossel 18.1 nicht in der Bypassleitung 9.1 sondern in dem Hauptstromstrang 8.1 angeordnet ist. Mit der Drossel 18.1 wird das die Bypassleitung 9.1 durchströmende Abgasvolumen eingestellt.
3 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung eine Abgasreinigungsanlage 19. Die Abgasreinigungsanlage 19 ist an einen Dieselmotor 20 angeschlossen. In den Abgasstrang der Abgasreinigungsanlage 19 ist eine Abgasturbine 21 eingeschaltet. Der Abgasturbine 21 nachgeschaltet ist als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit, zusammengestellt aus einem Oxidationskatalysator 22 und einem Partikelfilter 23. Somit entspricht das Abgasreinigungsaggregat dem zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschriebenen.
Als Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie an das Abgasreinigungsaggregat 22, 23 dient bei der Abgasreinigungsanlage 19 ein beispielhaft in die einem der sechs Zylinder Z mit einer Abgassammelleitung 24 verbindende Abgasleitung 25 eingeschalteter Oxidationskatalysator 26. Der Oxidationskatalysator dient zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen, um die durch den Abgasstrang strömende Abgastemperatur gegenüber der motorseitig ausgestoßenen Abgastemperatur zu erhöhen. Die zum Ausführen der bereits in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschriebenen exothermen Reaktion benötigten Kohlenwasserstoffe werden über das Motormanagement dem Zylinder Z in Form von Kraftstoff zugeführt, beispielsweise durch eine an sich bekannte Kraftstoffnacheinspritzung.
Aufgrund der Lage des Oxidationskatalysators 26 unmittelbar am motorblockseitigen Ausgang der Abgasleitung 25 des Zylinders Z, wird dieser nach einem Motorstart rasch auf seine Betriebstemperatur gebracht. Dies erlaubt, ein Anheben der Abgastemperatur bereits kurz nach dem Motorstart. Für den Fall, dass eine noch raschere Erwärmung des Oxidationskatalysators 26 auf seine Betriebstemperatur gewünscht wird, kann diesem eine elektrische Heizeinrichtung, typischerweise konzipiert als Widerstandsheizung, vorgeschaltet sein. Eine solche ist schematisiert in 3 mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet.
In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist lediglich der Übersicht halber allein in der Abgasleitung 25 des Zylinders Z ein Oxidationskatalysator eingeschaltet. Ein solcher und ggf. eine diesem vorgeschaltete Heizeinrichtung kann ebenfalls in einigen oder allen anderen Zylinderabgasausgangsleitungen eingeschaltet sein.
In einer in den Figuren nicht weiter dargestellten Ausgestaltung ist vorgesehen, vor dem Abgasreinigungsaggregat 22, 23 im Abgasstrang einen Kraftstoffport anzuordnen, über den Kohlenwasserstoffe dem Oxidationskatalysator 22 zur Temperaturerhöhung desselben und damit des Abgasstromes zugeführt werden können.
In einer in den Figuren nicht dargestellten Weiterbildung dieser Abgasreinigungsanlage ist vorgesehen, in den Abgasstrang zusätzlich eine Einrichtung wie zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 anzuordnen, mithin den Abgasstrang in eine Bypassleitung und einen Hauptstromstrang zu teilen, um zusätzlich thermische Energie in der Bypassleitung in den Abgasstrom einzubringen, wie dieses zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 beschrieben ist.
Allein im Wege von Beispielen ist in der Figurenbeschreibung als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit umfassend einen Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter beschrieben worden. Die Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele verdeutlicht, dass sich die beanspruchte Konzeption vor allem für solche Abgasreinigungsaggregate eignet, bei denen Teil des Abgasreinigungsaggregates ein Oxidationskatalysator ist. Somit kann beispielsweise auch ein einem SCR-Katalysator vorgeschalteter Oxidationskatalysator auf die vorbeschriebene Art und Weise auf seine Betriebstemperatur gebracht werden. Gleiches gilt selbstverständlich auch für einen SCR-Katalysator, der einem solchen Oxidationskatalysator nachgeschaltet oder alleinig als Abgasreinigungsaggregat in den Abgasstrang einer Abgasreinigungsanlage eingeschaltet ist. Gleichermaßen kann mit einer der vorbeschriebenen Abgasreinigungsanlagen auch eine Regeneration eines NO_X-Speicherkatalysators vorgenommen werden.
Oxidationskatalysatoren, an denen Kohlenwasserstoffe exotherm reagieren sind hinlänglich bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Edelmetallbeladung, etwa eine Platinbeladung, aufgetragen auf ein geeignetes Trägersubstrat. An derartigen Oxidationskatalysatoren reagiert ebenfalls CO sowie NO.
Die beanspruchte Erfindung ist anhand der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert worden. Für einen Fachmann ergeben sich, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen, weitere Ausgestaltungen, die Erfindung verwirklichen zu können, ohne dass diese im Einzelnen dargelegt werden müssten. Insbesondere erkennt ein Fachmann, dass die unter Umständen in Kombination und im Zusammenhang miteinander beschriebenen Merkmale auch unabhängig voneinander eingesetzt werden können.

1, 1.1: Dieselmotor
2: Abgasturbine
3: Ladeluftverdichter
4, 4.1: Luftzuführleitung
5: Abgaskrümmer
6, 6.1: Abgasreinigungsanlage
7, 7.1: Abgasstrang
8, 8.1: Hauptstromstrang
9, 9.1: Bypassleitung
10: Gehäuse
11: Partikelfilter
12: Oxidationskatalysator
13: Eingangskonus
14, 14.1: katalytischer Brenner
15, 15.1: Oxidationskatalysator
16, 16.1: elektrische Heizeinrichtung
17, 17.1: Kraftstoffport
18, 18.1: Drossel
19: Abgasreinigungsanlage
20: Dieselmotor
21: Abgasturbine
22: Oxidationskatalysator
23: Partikelfilter
24: Abgassammelleitung
25: Abgasleitung
26: Oxidationskatalysator
27: Elektrische Heizeinrichtung
Z: Zylinder

Claims

Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, etwa einen Dieselmotor (1, 1.1), umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang (7, 7.1) eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat (11, 12) sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (7, 7.1) in einem Abschnitt über einen Hauptstromstrang (8, 8.1) und einem als Bypassleitung (9, 9.1) dienenden Nebenstromstrang verfügt, welche Bypassleitung (9, 9.1) ausgangsseitig an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes mündet, in dem die thermische Energie benötigt wird, und in welche Bypassleitung (9, 9.1) ein Heizaggregat (14, 14.1) zum Erwärmen des durch die Bypassleitung (9, 9.1) strömenden Abgases eingeschaltet ist und dass die Abgasreinigungsanlage (6, 6.1) eine Einrichtung (18, 18.1) zum Steuern des die Bypassleitung (9, 9.1) durchströmenden Abgasvolumenstromes aufweist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als in die Bypassleitung (9, 9.1) eingeschaltetes Heizaggregat (14, 14.1) ein Oxidationskatalysator (15, 15.1) mit einer diesem in Strömungsrichtung des die Bypassleitung (9, 9.1) durchströmenden Abgases vorgeschalteten elektrischen Heizeinrichtung (16, 16.1) sowie mit einem ebenfalls dem Oxidationskatalysator vorgeschalteten Port (17, 17.1) zum Zuführen von Kraftstoff in die Bypassleitung (9, 9.1).
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch die Bypassleitung (9, 9.1) die Einrichtungen des Heizaggregates (14, 14.1) in folgender Reihenfolge angeordnet sind: Kraftstoffport (17, 17.1), elektrische Heizeinrichtung (16, 16.1), Oxidationskatalysator (15, 15.1).
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (16, 16.1) in nur geringem Abstand zu dem Oxidationskatalysator (15, 15.1) angeordnet ist, damit letzterer auch durch von der elektrischen Heizeinrichtung (16, 16.1) abgegebene Strahlungswärme erwärmbar ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (16, 16.1) als Widerstandsheizelement ausgeführt ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement (16, 16.1) nach Art einer Spirale geformt ist, deren Windungen voneinander beabstandet sind und deren Ebene quer zur Strömungsrichtung des Abgases in der Bypassleitung (9, 9.1) ausgerichtet ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffport (17, 17.1) den Ausgang einer Kraftstoffdosiereinheit, beispielsweise einer Kraftstoffpumpe, bildet oder an einen solche angeschlossen ist und die Kraftstoffdosiereinheit von dem zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzten Kraftstoff beaufschlagt ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffport (17, 17.1) einen Verdampfer zum Verdampfen des dem Kraftstoffport zugeführten Kraftstoffes verfügt.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgasstrang (7, 7.1) eine Partikelfiltereinheit als Abgasreinigungsaggregat, umfassend einen Partikelfilter (11) und einen diesem in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschalteten Oxidationskatalysator (12), eingeschaltet ist und die ausgangsseitige Mündung der Bypassleitung (9, 9.1) in Strömungsrichtung des den Abgasstrang durchströmenden Abgases vor dem Oxidationskatalysator mündet.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hauptstromstrang (8.1) eine hinsichtlich ihrer durchströmbaren Querschnittsfläche einstellbare Drossel (18.1) eingeschaltet ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hauptstromstrang (8) eine Abgasturbine (2) eines Ladeluftverdichters zum Versorgen der Dieselbrennkraftmaschine (1) mit für die Verbrennung benötigter Luft eingeschaltet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bypassleitung (9), dem Heizaggregat (14) vorgeschaltet, eine an eine Steuereinheit angeschlossene und von dieser angesteuerte Drossel (18) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine etwa einen Dieselmotor (20), umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat (22, 23) sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest eine einen Brennraum (Z) der Brennkraftmaschine (20) mit einer Abgassammelleitung (24) verbindende Leitung (25) ein Oxidationskatalysator (26) eingeschaltet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Oxidationskatalysator (26) eine diesem in Strömungsrichtung vorgeschaltete elektrische Heizeinrichtung (27) zugeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage eines oder mehrere der Merkmale der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.